Пространственно-временная динамика филаментации фемтосекундного лазерного импульса в конденсированных средах

Проект состоит в экспериментальном и численном исследовании динамики пространственно-временных распределений плотности мощности в фемтосекундном импульсе и наведенного приращения показателя преломления в среде при формировании филаментов и их взаимодействии.

Изучена эволюция пространственно-временного распределения интенсивности светового поля и наведенного изменения показателя преломления в конденсированной среде при филаментации фемтосекундного лазерного излучения на основе исследований, выполненных численно в МГУ имени М.В.Ломоносова и экспериментально методами время разрешенной поляриметрии и нестационарного поглощения в Институте физики НАН Украины. Численно показано и экспериментально подтверждено, что при филаментации в плавленом кварце фемтосекундного лазерного излучения на длине волны 800 образуются субимпульсы, которые “разбегаются” в процессе распространения. В излучении на длине волны 400 нм временной интервал между образующимися субимпульсам больше, чем в излучении на длине волны 800 нм, вследствие более значимого вклада дисперсии групповой скорости в изменение формы импульса при фазовой самомодуляции в нелинейной среде. Показано, что на оси фемтосекундного филамента положительное приращение показателя преломления, вызванное керровской нелинейностью на переднем фронте импульса, сменяется его отрицательным приращением в наведенной лазерной плазме на хвосте импульса. Из полученного распределения нелинейного приращения показателя преломления в плоскости поперечного сечения следует, что радиус плазменного канала существенно меньше размера области локализации энергии в филаменте и, следовательно, насыщение интенсивности в филаменте определяется кривизной, а не абсолютными значениями керровского и плазменного приращений показателя преломления. В исследованиях взаимодействия филаментов установлено, что интерференция световых полей в сходящихся пучках играет определяющую роль в пространственно-временной эволюции излучения и каналов наведенной лазерной плазмы. При образовании филаментов до области перекрытия пучков происходит интерференция полей, расходящихся в результате дефокусировки в наведенной лазерной плазме, при образовании в области перекрытия - интерференция световых полей падающих пучков. Получена многомерная картина распределения поверхностной плотности энергии и концентрации электронов в наведенной лазерной плазме при множественной филаментации в двух, трех и четырех пучках, сходящихся под малым углом в кристалле сапфира. Показано, что в синфазных пучках за счет конструктивной интерференции первоначально формируется центральный наиболее протяженный филамент, что сопровождается появлением более коротких филаментов в побочных интерференционных максимумах. Установлено, что величина пиковой интенсивности в фемтосекундном филаменте, образующемся в сходящихся пучках, незначительно превышает это значение в одиночном пучке с аналогичными параметрами. Показано, что при множественной филаментации в воздухе изменение сдвига фазы и запаздывания излучения в сходящихся пучках можно использовать для управления распределением в пространстве областей высокой плотности поверхностной энергии на трассе.

1. Показано, что при филаментации в плавленом кварце фемтосекундного лазерного излучения на длине волны 800 и 400 нм образуются субимпульсы, которые “разбегаются” в процессе распространения. При этом, в излучении на длине волны 400 нм временной интервал между образующимися субимпульсам больше, чем в излучении на длине волны 800 нм, вследствие более значимого вклада дисперсии групповой скорости в изменение формы импульса при фазовой самомодуляции в нелинейной среде (Рис.1 прилагаемого файла). Использование начальной фазовой модуляция излучения на длине волны 800 нм позволяет увеличить временной интервал между субимпульсами. Полученное в численном моделировании расщепление импульса надежно зарегистрировано в лабораторном эксперименте (Рис.2 прилагаемого файла). Результаты численного моделирования использованы для оценки необходимого временного разрешения в экспериментальных исследованиях пространственно-временной динамики филаментации фемтосекундных лазерных импульсов на установке лазерного комплекса в ЦКП "Фемтосекундный лазерный центр" Института физики НАН Украины. В соответствие с выполненными оценками украинскими участниками проекта проведена модернизация установки для повышения временного разрешения до 50 фс при использовании микроскопических методик время разрешенной оптической поляриметрии и нестационарного поглощения. Полученное в численном моделировании расщепление импульса надежно зарегистрировано украинскими участниками проекта. Экспериментально зарегистрированное образование и эволюция субимпульсов в фемтосекундном излучении на длине волны 800нм при филаментации в плавленом кварце согласуется с численными результатами, выполненными для условий эксперимента (Рис.2 прилагаемого файла).

2. Численно исследована пространственно-временная эволюция показателя преломления, наведенного в кварце фемтосекундным излучением при филаментации в условиях эксперимента, выполненного в ЦКП "Фемтосекундный лазерный центр" Института физики НАН Украины. Показано, что положительное приращение показателя преломления, вызванное керровской нелинейностью на переднем фронте импульса, сменяется его отрицательным приращением в наведенной лазерной плазме на хвосте импульса (Рис. 3 прилагаемого файла). При этом во временных слоях импульса, где происходит смена знака нелинейного приращения показателя преломления на оси филамента, профиль нелинейного приращения показателя преломления в сечении пучка является существенно неунимодальным. Из полученной радиальной зависимости для нелинейного показателя преломления следует, что радиус плазменного канала существенно меньше поперечного размера области локализации энергии в филаменте. Вследствие этого, можно утверждать, что насыщение интенсивности в филаменте определяется равенством кривизны в приосевой области приращений показателя преломления, связанных с керровской и плазменной нелинейностями. По результатам численного исследования рассчитано изменение в течение импульса радиального распределения приращения показателя преломления - параметра, непосредственно измеряемого методами время разрешенной поляриметрии и нестационарного поглощения на установке в ЦКП "Фемтосекундный лазерный центр" Института физики НАН Украины. Получено хорошее согласие результатов численного моделирования в МЛЦ МГУ и экспериментального исследования в Институте физики НАН Украины.

3. В исследованиях взаимодействия филаментов установлено, что интерференция световых полей в сходящихся пучках играет определяющую роль в пространственно-временной эволюции излучения и каналов наведенной лазерной плазмы. При образовании филаментов в пучках до области их перекрытия происходит интерференция полей, расходящихся в результате дефокусировки в наведенной лазерной плазме, что вызывает на интерференционных максимумах зарождение дочерних филаментов и перераспределение энергии между ними в соответствие со сценарием множественной филаментации. При начале филаментации в области перекрытия пучков расположение первичных филаментов определяется интерференцией световых полей падающих пучков, дочерних - полей, расходящихся при дефокусировке в плазме образовавшихся филаментов.

4. Получена многомерная картина распределения поверхностной плотности энергии и концентрации электронов в наведенной плазме в нескольких симметричных (трех и четырех) сходящихся под малым углом (~ 1 град) пучках с мощностью выше критической мощности самофокусировки при распространении излучения на длине волны 800 нм в сапфире (Рис. 4 и 5 прилагаемого файла). Показано, что в синфазных пучках за счет конструктивной интерференции первоначально формируется центральный наиболее протяженный филамент, который сопровождается появлением более коротких филаментов в побочных интерференционных максимумах. При этом наибольшая длина филамента достигается в случае четырех синфазных пучков. В случае трех пучков центральный филамент не является непрерывным. В области его разрыва наибольшая плотность поверхностной энергии и концентрации плазмы наблюдается в боковых филаментах.

5. В филаменте сходящихся пучков может быть достигнуто незначительное увеличение пиковой интенсивности по сравнению с одиночным пучком с аналогичными параметрами. Однако это увеличение не превышает 5% и не является постоянным по длине филамента (Рис. 6 прилагаемого файла).

6. Получена картина множественной филаментации в воздухе двух сходящихся пучков фемтосекундного лазерного излучения на длине волны 800 нм. Показано, что можно эффективно управлять перераспределением в пространстве областей высокой плотности поверхностной энергии, как в плоскости пучков, так и в ортогональной плоскости, изменяя запаздывание импульсов относительно друг друга и сдвиг фаз между ними (Рис. 7 прилагаемого файла).